基于仿真分析和疲劳试验的服役铸铝横梁剩余寿命预测
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本文针对服役一定里程后铸铝横梁剩余寿命预 测，考虑其不确定性（初始损伤和内部缺陷未知、
材料S-N曲线离散性等），假设剩余寿命累积损
伤可通过台架试验累积损伤进行等效表征，通过动 力学和有限元仿真分析手段建立铸铝横梁应力谱, 利用线性累积损伤评估方法实现对服役铸铝横梁剩 余寿命的预测。以试验辅助验证仿真分析，由仿真 全面评估铸铝横梁剩余寿命，该方法可为我国高速 列车同等类型结构剩余寿命预测和优化设计提供 依据。
轮轨作用力。由于电机系统质量较大，目前使用1 对铸铝横梁共同承担电机系统重量，通过吊装方式 连接于车体。铸铝横梁作为电机系统主要承载结 构，整体呈树状对称拓扑形式，内部为空腔且带有 肋板补强，设计寿命要求满足1. 2 X107 km运营里 程。铸铝横梁载荷来源包括由车体振动引起的大质 量电机系统振动和电机自身驱动转矩，其中电机系
观疲劳裂纹导致结构失效时的全寿命累积损伤;
D已服役为铸铝横梁服役一定里程后的已服役累积损
伤，此阶段产生的累积损伤未知；D试验为对服役 一定里程后的铸铝横梁进行N次等幅循环台架疲 劳试验产生的试验累积损伤，可通过试验和仿真分
析进行量化；D末服役为实际线路条件下铸铝横梁可
继续服役里程对应的损伤。
由式（1）可知，服役铸铝横梁剩余寿命对应 的损伤可由D试验（试验后产生裂纹）或D试验+
积损伤之间的线性比例关系，外推计算线路工况累积损伤与台架疲劳试验损伤等效时的运营里程即为铸铝横梁
的剩余寿命。结果表明：铸铝横梁采用与车体等寿命设计，10?次台架疲劳试验后未产生疲劳裂纹扩展，动力学 —有限元联合仿真分析及剩余寿命预测结果均表明铸铝横梁实际承载造成的累积损伤不显著，预测的剩余寿命
仍满足运营里程1. 2X107 km的设计要求。
的识别。乌E平波等⑷建立C64K型提速货车的非线 性动力学模型，分析其在沈大线运行时转K2型转 向架侧架的动态响应，并采用仿真方法对其疲劳寿 命进行预测。朴明伟等页以高速列车刚柔耦合动力 学模型为载体，研究空气弹簧特性对垂向振动的影
收稿日期：2018-07-20!修订日期：2018-11-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51475036） 第一作者：窦伟元（1989—），男，吉林舒兰人，博士研究生。E-mail： weiyuandou@
关键词：铸铝横梁；剩余寿命预测；动力学模型；有限元模型；疲劳试验；服役
中图分类号：TG292; U279 文献标识码：A
doi； 10. 3969/j. issn. 1001-4632. 2019. 04.13
国内某型动车组牵引电机采用体悬式 ，即通过 万向轴将牵引力或制动力由牵引电机传递到轮对上 的齿轮箱，该悬挂方式有助于降低一系簧下质量和
104
中国铁道科学
第40卷
响，结果表明曲线半径和垂向弯曲模态振型对车体 垂向振动影响显著。王珊珊等旧研究表明弹性模型 对车体振动加速度影响显著，仿真结果与翟婉明
等刀进行的线路实测数据吻合较好。Miner准则作 为等损伤线性疲劳累积损伤理论，未考虑载荷顺序 及谱块中载荷间的相互影响⑷，嵇应凤等凹研究表 明随机谱块载荷下Miner准则精度与Manson准则 和CortemDolan准则相当，且模型计算简单，易 于应用。徐庆元等口5基于Miner线性累积损伤模
目前，常用的轨道车辆结构疲劳性能的评估、
预测方法包括实车测试、台架试验和仿真分析。实 车测试成本较高，虽由真实线路作为测试条件的数 据更加可信可靠，但对数据处理和过滤的要求较 高；台架试验时依据标准或模拟实际激扰，通过作 动器对结构进行加载，需合理设计载荷和输入信 号；仿真分析成本最低，可用于探查复杂结构难以 贴片位置的应力状态，其结果准确性依赖于仿真模 型和边界条件。刘德刚等闪基于实测载荷和材料 S-N （其中S为应力幅值，N为疲劳寿命循环次 数）曲线，通过有限元仿真分析转8A型转向架侧 架危险部位并预测其疲劳寿命。王萌等⑷通过对线 路实测载荷与动应力响应关系的解耦，实现对各载 荷损伤影响程度的评估。张涛等冈通过台架试验实 现多频带激励条件下高速列车齿轮箱结构模态参数
D末服役（未产生宏观裂纹）进行表征，可通过等幅
循环载荷疲劳试验产生的累积损伤作为服役铸铝横
梁剩余寿命的评估依据。具体地，若经107次加 载，铸铝横梁产生疲劳裂纹，则可认为此时各评估
统振动由轨道激扰引起，经转向架悬挂系统一车体 传递到铸铝横梁；驱动转矩通过牵引电机经传动轴 作用于铸铝横梁。铸铝横梁采用A357-T6铝合金 铸造工艺，产品结构通常存在铸造缺陷（气孔、缩 孔等），初始缺陷状态复杂，且服役条件下所受载 荷类型不唯一、产品未知的初始应力状态经服役后 更加复杂，采用现有方法难以直接评估结构的累积 损伤及剩余寿命。
型研究无祚轨道钢筋混凝土结构在方法，该模型应力谱采用Miner线性 累积损伤模型的结果与实测谱损伤趋势一致。上述 研究中针对寿命预测通常采用单一仿真或在线测试 的方式，无法全面追踪结构应力状态或明确实际结 构在承载条件下的累积损伤，可能导致预测结果偏 于危险或过于保守。
摘要：基于Miner线性累积损伤理论及分段累积损伤与剩余寿命（运行里程）的关系，通过台架疲劳试
验得到的累积损伤对某型动车组服役铸铝横梁剩余寿命进行等效表征。以多工况线路条件下动力学仿真获得的 铸铝横梁外载荷为边界条件，在静载试验校验铸铝横梁有限元模型准确性的基础上，由瞬态仿真分析外推得到
铸铝横梁应力谱；基于标准线路工况10?次等幅循环疲劳试验获得铸铝横梁累积损伤基准，根据运营里程与累
第40卷，第4期 2019年7月
中国铁道科学
CHINA RAILWAY SCIENCE
Vol. 40 No. 4 July, 2019
文章编号：1001-4632 （2019） 04-0103-09
基于仿真分析和疲劳试验的服役 铸铝横梁剩余寿命预测
窦伟元1,张乐乐1,周 挺1,刘长青役 张海峰2
（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044； 2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）
材料S-N曲线离散性等），假设剩余寿命累积损
伤可通过台架试验累积损伤进行等效表征，通过动 力学和有限元仿真分析手段建立铸铝横梁应力谱, 利用线性累积损伤评估方法实现对服役铸铝横梁剩 余寿命的预测。以试验辅助验证仿真分析，由仿真 全面评估铸铝横梁剩余寿命，该方法可为我国高速 列车同等类型结构剩余寿命预测和优化设计提供 依据。
轮轨作用力。由于电机系统质量较大，目前使用1 对铸铝横梁共同承担电机系统重量，通过吊装方式 连接于车体。铸铝横梁作为电机系统主要承载结 构，整体呈树状对称拓扑形式，内部为空腔且带有 肋板补强，设计寿命要求满足1. 2 X107 km运营里 程。铸铝横梁载荷来源包括由车体振动引起的大质 量电机系统振动和电机自身驱动转矩，其中电机系
观疲劳裂纹导致结构失效时的全寿命累积损伤;
D已服役为铸铝横梁服役一定里程后的已服役累积损
伤，此阶段产生的累积损伤未知；D试验为对服役 一定里程后的铸铝横梁进行N次等幅循环台架疲 劳试验产生的试验累积损伤，可通过试验和仿真分
析进行量化；D末服役为实际线路条件下铸铝横梁可
继续服役里程对应的损伤。
由式（1）可知，服役铸铝横梁剩余寿命对应 的损伤可由D试验（试验后产生裂纹）或D试验+
积损伤之间的线性比例关系，外推计算线路工况累积损伤与台架疲劳试验损伤等效时的运营里程即为铸铝横梁
的剩余寿命。结果表明：铸铝横梁采用与车体等寿命设计，10?次台架疲劳试验后未产生疲劳裂纹扩展，动力学 —有限元联合仿真分析及剩余寿命预测结果均表明铸铝横梁实际承载造成的累积损伤不显著，预测的剩余寿命
仍满足运营里程1. 2X107 km的设计要求。
的识别。乌E平波等⑷建立C64K型提速货车的非线 性动力学模型，分析其在沈大线运行时转K2型转 向架侧架的动态响应，并采用仿真方法对其疲劳寿 命进行预测。朴明伟等页以高速列车刚柔耦合动力 学模型为载体，研究空气弹簧特性对垂向振动的影
收稿日期：2018-07-20!修订日期：2018-11-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51475036） 第一作者：窦伟元（1989—），男，吉林舒兰人，博士研究生。E-mail： weiyuandou@
关键词：铸铝横梁；剩余寿命预测；动力学模型；有限元模型；疲劳试验；服役
中图分类号：TG292; U279 文献标识码：A
doi； 10. 3969/j. issn. 1001-4632. 2019. 04.13
国内某型动车组牵引电机采用体悬式 ，即通过 万向轴将牵引力或制动力由牵引电机传递到轮对上 的齿轮箱，该悬挂方式有助于降低一系簧下质量和
104
中国铁道科学
第40卷
响，结果表明曲线半径和垂向弯曲模态振型对车体 垂向振动影响显著。王珊珊等旧研究表明弹性模型 对车体振动加速度影响显著，仿真结果与翟婉明
等刀进行的线路实测数据吻合较好。Miner准则作 为等损伤线性疲劳累积损伤理论，未考虑载荷顺序 及谱块中载荷间的相互影响⑷，嵇应凤等凹研究表 明随机谱块载荷下Miner准则精度与Manson准则 和CortemDolan准则相当，且模型计算简单，易 于应用。徐庆元等口5基于Miner线性累积损伤模
目前，常用的轨道车辆结构疲劳性能的评估、
预测方法包括实车测试、台架试验和仿真分析。实 车测试成本较高，虽由真实线路作为测试条件的数 据更加可信可靠，但对数据处理和过滤的要求较 高；台架试验时依据标准或模拟实际激扰，通过作 动器对结构进行加载，需合理设计载荷和输入信 号；仿真分析成本最低，可用于探查复杂结构难以 贴片位置的应力状态，其结果准确性依赖于仿真模 型和边界条件。刘德刚等闪基于实测载荷和材料 S-N （其中S为应力幅值，N为疲劳寿命循环次 数）曲线，通过有限元仿真分析转8A型转向架侧 架危险部位并预测其疲劳寿命。王萌等⑷通过对线 路实测载荷与动应力响应关系的解耦，实现对各载 荷损伤影响程度的评估。张涛等冈通过台架试验实 现多频带激励条件下高速列车齿轮箱结构模态参数
D末服役（未产生宏观裂纹）进行表征，可通过等幅
循环载荷疲劳试验产生的累积损伤作为服役铸铝横
梁剩余寿命的评估依据。具体地，若经107次加 载，铸铝横梁产生疲劳裂纹，则可认为此时各评估
统振动由轨道激扰引起，经转向架悬挂系统一车体 传递到铸铝横梁；驱动转矩通过牵引电机经传动轴 作用于铸铝横梁。铸铝横梁采用A357-T6铝合金 铸造工艺，产品结构通常存在铸造缺陷（气孔、缩 孔等），初始缺陷状态复杂，且服役条件下所受载 荷类型不唯一、产品未知的初始应力状态经服役后 更加复杂，采用现有方法难以直接评估结构的累积 损伤及剩余寿命。
型研究无祚轨道钢筋混凝土结构在方法，该模型应力谱采用Miner线性 累积损伤模型的结果与实测谱损伤趋势一致。上述 研究中针对寿命预测通常采用单一仿真或在线测试 的方式，无法全面追踪结构应力状态或明确实际结 构在承载条件下的累积损伤，可能导致预测结果偏 于危险或过于保守。
摘要：基于Miner线性累积损伤理论及分段累积损伤与剩余寿命（运行里程）的关系，通过台架疲劳试
验得到的累积损伤对某型动车组服役铸铝横梁剩余寿命进行等效表征。以多工况线路条件下动力学仿真获得的 铸铝横梁外载荷为边界条件，在静载试验校验铸铝横梁有限元模型准确性的基础上，由瞬态仿真分析外推得到
铸铝横梁应力谱；基于标准线路工况10?次等幅循环疲劳试验获得铸铝横梁累积损伤基准，根据运营里程与累
第40卷，第4期 2019年7月
中国铁道科学
CHINA RAILWAY SCIENCE
Vol. 40 No. 4 July, 2019
文章编号：1001-4632 （2019） 04-0103-09
基于仿真分析和疲劳试验的服役 铸铝横梁剩余寿命预测
窦伟元1,张乐乐1,周 挺1,刘长青役 张海峰2
（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044； 2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）